Czy istnieją inne dowody rozszerzającego się wszechświata oprócz przesunięcia ku czerwieni?

Teoria rozszerzającego się wszechświata jest tak szeroko akceptowana, że ​​przesunięcie ku czerwieni jest czasem używane jako miara odległości do odległych galaktyk.

Ale czy nadal jest możliwe, że przesunięcie ku czerwieni jest spowodowane przez jakieś nieznane zjawiska, a nie przez galaktyki oddalające się od siebie?

Czy jest jakikolwiek inny dowód (oprócz przesunięcia ku czerwieni), że wszechświat rzeczywiście się rozszerza i odległe galaktyki oddalają się od nas?

Tak, istnieją bezpośrednie dowody ekspansji bez przesunięcia ku czerwieni.

Temperatura w przeszłości kosmicznego promieniowania mikrofalowego w tle (CMBR) została zmierzona bezpośrednio i stwierdzono, że jest znacznie wyższa niż obecnie. Jego obniżenie temperatury w czasie jest bezpośrednim dowodem ekspansji. Oto szczegóły:

Według tego artykułu CMBR był w przeszłości znacznie gorętszy (tutaj mniej techniczne streszczenie ). Naukowcy zaobserwowali linie absorpcyjne w chmurze gazowej znajdującej się w odległej galaktyce i stwierdzili, że wzór linii można wyjaśnić tylko wtedy, gdy temperatura CMBR w chwili absorpcji wynosiła między 6 K a 14 K (teraz jest to 3 K). Temperatura ta jest zgodna z oczekiwaną temperaturą przesunięcia ku czerwieni w tej galaktyce (9 K). Zauważ, że temperatura została zmierzona na podstawie określonego wzoru linii, a nie na ile przesunięto linie na czerwono; pomiar ten dałby tę samą temperaturę, nawet gdyby nie było przesunięcia ku czerwieni. Ponieważ wyższa temperatura oznacza wyższą gęstość, to chłodzenie CMBR w czasie jest bezpośrednim dowodem na ekspansję wszechświata.

Dodatkowe komentarze

• Jaki jest związek między liniami przesunięcia ku czerwieni a liniami absorpcji?

  Zainspirowany rozmową z uhoh w komentarzach:

  W mojej odpowiedzi odnoszę się do „wzoru” „linii absorpcji”. Dla tych, którzy nie są zaznajomieni z tematem, pozwól mi wyjaśnić.

  Kiedy światło przebija chmurę gazu, pochłaniane są określone częstotliwości światła. Kiedy to światło zostanie następnie prześwietlone przez pryzmat, zablokowane częstotliwości pojawią się jako czarne linie w widmie (patrz ilustracja poniżej). Dokładne pojawiające się linie i ich pozycje w widmie („wzór” „linii absorpcyjnych”) zależą od pierwiastków obecnych w gazie i jego otoczeniu. Efekt ten jest najlepiej widoczny w świetle emitującym fotony przy wszystkich częstotliwościach; ten rodzaj światła jest znany jako promieniowanie ciała czarnego . Chociaż emituje światło na wszystkich częstotliwościach, promiennik o ciele czarnym emituje najwięcej światła o określonej długości fali; umiejscowienie tego szczytu jest określane jako temperatura ciała czarnego.

  
  ^{Źródło: Przesunięcie Dopplera , Edward L. Wright
  (doskonała strona BTW, FAQ warto sprawdzić, aby uzyskać więcej informacji na temat czerwonych przesunięć i ogólnie kosmologii)}

  Gdy światło przemieszcza się przez (rozszerzającą) przestrzeń, jego długość fali, a długości fal linii absorpcyjnych rozciągają się ze stałą szybkością dla wszystkich częstotliwości. Powiedzmy, że w czasie emisji / absorpcji widmo pokazuje linie o długościach fal 1, 3 i 5 nm ¹ . Po podróży fotonów przez określony czas, wszystkie długości fal widma wydają się podwoić ² . Linia poprzednio przy 1 nm jest teraz widoczna przy 2 nm, linia poprzednio przy 3 nm jest teraz widoczna przy 6 nm, a linia pierwotnie przy 5 nm jest teraz widoczna przy 10 nm. Chociaż ich częstotliwości bezwzględne zmieniają się w czasie, stosunek długości fali linii (i częstotliwości) względem siebie pozostaje stały.

  Dokładna wielkość przesunięcia widma danego obiektu bezpośrednio koreluje z jego odległością. Jak widać na powyższym schemacie, obiekty bliskie (takie jak Słońce) nie wykazują przesunięcia ku czerwieni. Kiedy patrzy się na obiekty coraz dalej, widać coraz większe przesunięcie ku czerwieni ³ .

  W dyskusji w powyższej odpowiedzi na ten wzór względnych pozycji w liniach ma wpływ temperatura CMBR w momencie absorpcji, a nie stopień, w jakim linie zostały przesunięte.

  ^{1 Mówiąc technicznie, punkt ten wynosi gdzie oznacza wielkość przesunięcia, dodatnie dla przesunięć czerwonych (odsuwanie się) i ujemne dla przesunięć niebieskich (zbliżanie się). Bardziej dogłębną dyskusję na ten temat (w tym dokładną definicję ) można znaleźć tutaj . $z=0$$z$$z$
  2 Punkt podwojenia długości fali (zmniejszenie częstotliwości o połowę) wynosi$z=1$
  3 Należy zauważyć, że ponieważ istnieje pewna niepewność co do szybkości rozszerzania się Wszechświata, przesunięcia ku czerwieni nie odnoszą się do dokładnie znanych odległości. A zatem astronomowie i kosmolodzy rzadko odnoszą się do odległości do odległych obiektów w kategoriach bezwzględnych, powiedzmy, lat świetlnych lub parsów, Wolą raczej używać ilość czerwonych przesunięcie obserwowane (The wymienionych powyżej).$z$}

  Mechanizm przesunięcia czerwonego nie polega na tym, że same fotony się zmieniają, lecz na tym, że przestrzeń, przez którą poruszają się fale elektromagnetyczne, rozszerza się. (Fotony to zarówno cząstki, jak i fale; nie, to nie jest do końca intuicyjne.) To ciągłe rozciąganie przestrzeni rozciąga długość fali światła, powodując zarówno efekt przesunięcia czerwieni, jak i wzrost przesunięcia czerwieni danego fotonu w czasie.

  
  Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
   

• W jaki sposób zmiana koloru czerwonego odnosi się do CMBR?

  W komentarzach Alchimista zapytał: „Czy CMBR tak naprawdę nie jest kwintesencją przesunięcia ku czerwieni?”
  (Zakładam, że używasz wspólnego, a nie kosmologicznego , znaczenia „kwintesencji”)

  Tak, powszechnie przyjmuje się, że obecna temperatura CMBR (3 K) jest wynikiem relatywnie wysokoenergetycznych fotonów (3000 K) emitowanych około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, których długości fali zostały rozciągnięte w czasie przez ekspansję Wszechświata w kierunku czerwony (tj. chłodniejszy lub o niższej energii) koniec widma. Ta ekspansja została wywnioskowana przez Hubble i in. z obserwacji, że mniejsze i ciemniejsze galaktyki (widziane z Ziemi) mają większe przesunięcie w swoich widmach. Im większa odległość pozorna, tym większe jest obserwowane przesunięcie. Używając tego pozornie przesuniętego na czerwono przesunięcia, możemy wywnioskowaćże Wszechświat był mniejszy w przeszłości, a zatem gęstszy przy wyższej temperaturze dla CMBR. Na podstawie zaobserwowanych przesunięć czerwonych odległych galaktyk możemy następnie wywnioskować, ale nie bezpośrednio zmierzyć, jaka była temperatura CMBR dla każdej odległości.

  Autorzy powyższego artykułu dokonali bezpośredniego pomiaru temperatury CMBR w określonym czasie w przeszłości. Zmierzona temperatura jest wyższa niż obecnie, co implikuje gęstszy i przez to mniejszy Wszechświat. Naukowcy odkryli ponadto, że bezpośrednio mierzona temperatura jest dokładnie zgodna z temperaturą wywodzącą się z obserwowanego przesunięcia czerwieni badanej galaktyki.

  Krótko mówiąc, łańcuch wnioskowania jest zamieniany:

  • Dla rozumowania opartego na przesunięciu
    ku czerwieni : Zwiększanie czerwonych przesunięć wraz z pozorną odległością (mierzone bezpośrednio) ⇒ Ekspansja ⇒ Wcześniejszy wszechświat ⇒ Wyższa temperatura CMBR w przeszłości.
  • Bezpośredni pomiar przeszłej temperatury (jak w tym artykule):
    Wyższa temperatura CMBR w przeszłości (bezpośrednio zmierzona) ⇒ Wcześniejszy Wszechświat w przeszłości ⇒ Ekspansja ⇒ Obserwowane przesunięcie na czerwono.
     

  Te dwa łańcuchy wnioskowania oparte na różnych zestawach dowodów starannie się uzupełniają i wspierają.

  Należy zauważyć, że CMBR nie został utworzony przez ekspansję (przynajmniej nie bezpośrednio), a raczej ekspansję, która wyjaśnia jego aktualną temperaturę i jednorodność. Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu wczesny wszechświat był bardzo gęsty; tak gęsta i gorąca, że ​​cała materia była plazmą cząstek subatomowych, nieprzezroczystą dla fotonów. Około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu Wszechświat ostygł (przez ekspansję) na tyle, że protony i elektrony mogły się połączyć, tworząc neutralny gaz wodorowy (który jest przezroczysty). CMBR to światło, które zostało uwolnione w tym czasie i odtąd się ochładza.

Ale czy nadal jest możliwe, że przesunięcie ku czerwieni jest spowodowane przez jakieś nieznane zjawiska, a nie przez galaktyki oddalające się od siebie?

W historii zaproponowano kilka alternatywnych teorii, takich jak hipoteza zmęczonego światła , wszechświat stanu ustalonego itp. Jednak obserwacja wykluczyła te i inne teorie .

Zobacz także Alternatywna kosmologia

Nie ma innych rozsądnie bezpośrednich metod, ale zdecydowanie istnieją metody pośrednie. Po pierwsze, w odpowiedzi @Alex Hajnal, wyższe temperatury CMB zmierzone dalej są bardzo dobrym miernikiem pośrednim.

Kolejnym pośrednim dowodem, którego nikt jeszcze nie zauważył, jest to, że gdy patrzymy coraz dalej, wszechświat wygląda coraz młodziej i coraz mniej podobny do tego, co widzimy w naszym sąsiedztwie. Jesteś prawie zmuszony wyjaśnić to naukowo, mówiąc, że wszechświat miał początek około 10 miliardów lat temu, a gwiazdy i galaktyki dopiero wtedy zaczęły się formować. (To nie jest dowód na konkretny Wielki Wybuch, ale eliminuje większość alternatyw. Na przykład model stanu ustalonego jest sfałszowany.) Bardzo trudno jest wyjaśnić to, co widzimy, z wyjątkiem ekspansji wszechświata z gorącego stanu gęstego ok. 10 ¹⁰ lat temu.

Więcej pośrednich dowodów pochodzi z ogólnej teorii względności, teorii przestrzeni, czasu i grawitacji, która jest bardzo dobrze zweryfikowana - jest testowana od stulecia i kwestionowana przez niezliczone inne teorie, a tylko GR przeszła wszystkie testy eksperymentalne. GR dokładnie przewiduje, że statyczny wszechświat jest niemożliwy i że musi się rozszerzać lub kurczyć. Jest to pośredni dowód z głównie lokalnych eksperymentów.

Jeszcze bardziej pośrednie dowody pochodzą z obliczeń nukelosyntezy, które pokazują, że stosunki H / He / Li, które obserwujemy w najstarszych i najmniej rozwiniętych gwiazdach, są dokładnie tym, co przewidujemy na podstawie zastosowania zmierzonych właściwości jąder do kuli ognia Big Ban.

Jest tak dużo nauki inne niż czerwone zmian, które wskazują na rozszerzającego się wszechświata od początkowego stanu bardzo gorąca, gęsta, że nawet bez obserwacji czerwone zmiany, byśmy w końcu zmuszony do tego wniosku.

Oprócz poszlak dostarczonych przez inne odpowiedzi, silną weryfikację oddalających się od siebie galaktyk zapewnia fakt, że obserwujemy wzrost procesów fizycznych - takich jak czas spadku jasności supernowych - im dalej tym dalej jest. Dla źródła o przesunięciu ku czerwieni$z$, obserwuje się ilość tego rozszerzenia czasu$(1+z)$, dokładnie zgodnie z oczekiwaniami ogólnej teorii względności w rozszerzającym się wszechświecie.

To znaczy, supernowa obserwowana z przesunięciem ku czerwieni $1$ Upadek zajmuje lokalną supernową dwa razy więcej czasu.

Zauważ jednak, że nie jest to weryfikacja rozszerzającego się Wszechświata, a jedynie galaktyk oddalających się od siebie. Gdyby Wszechświat był statyczny, ale galaktyki poruszały się w przestrzeni, obserwowałbyś procesy rozszerzone o ten sam czynnik, jak przewiduje specjalna teoria względności. Istnieją jednak inne dowody na to, że galaktyki nie poruszają się w przestrzeni statycznej, lecz zamiast tego leżą mniej więcej w rozszerzającej się przestrzeni.

Tak:

1. Rozkład danych supernowych 1a
2. Pomiary WMAP CMB
3. Sloan Galactic Sky Survey (katalog galaktyk)

Ważne jest to, że wyniki te nie tylko mówią to samo, ale również się ze sobą korespondują .

OK, ta odpowiedź wymaga przesunięcia ku czerwieni, ale wysłuchaj mnie.

W ramach ogólnej teorii względności wiele mechanizmów może tworzyć przesunięcia ku czerwieni: ekspansja przestrzeni, obiekty poruszające się względem obserwatora (tj. Nas) oraz światło wychodzące dobrze z grawitacji. Ta ostatnia opcja nie wchodzi w zakres tego pytania, a pierwsza jest wykluczona z rozpatrzenia na wniosek pytającego. Pozostawia to tylko drugą opcję (ruch względny, czyli relatywistyczny efekt Dopplera); to przesunięcie może być (i zostało) przetestowane tutaj na Ziemi i wykazano, że istnieje.

Przesunięcie czerwieni obserwuje się we wszystkich pozornie odległych obiektach (słaba, niska metaliczność itp.). Na podstawie przesunięcia widma w czerwieni widzianego w danym obiekcie możemy określić, jak szybko ono się od nas odsuwa. Na przykład obiekt o zmierzonym przesunięciu ku czerwieni wynoszącym$z=0.5$oddala się od nas z prędkością około połowy prędkości światła. Na razie w porządku. Problem pojawia się, gdy obserwujemy obiekty$z>1$. Znaleziono wiele takich obiektów; obecnym rekordzistą jest GN-z11 z przesunięciem na czerwono o$z=11.09$. Innymi słowy, gdyby istniała tylko relatywistyczna zmiana, obiekt ten odleciałby od nas z prędkością ponad 11 razy większą niż prędkość światła.

Biorąc pod uwagę, że żaden obiekt mający masę nie może osiągnąć prędkości światła, jasne jest, że obserwowane przesunięcia czerwieni nie mogą być spowodowane ruchem relatywistycznym. Ponieważ nie istnieją znane mechanizmy poza trzema wymienionymi powyżej, które mogą powodować przesunięcia czerwieni w widmie (porównaj wygaszenie ), jedynym wyjaśnieniem pasującym do tych obserwacji jest ekspansja przestrzeni. Mówiąc zwięźle, fakt, że obserwowane są w ogóle superluminalne przesunięcia ku czerwieni, jest dowodem na to, że przestrzeń się rozszerza.